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      PRODUCT

      產品展示

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      轉爐高純凈度GCrl5軸承鋼的試制開發

        摘 要:以含C量1.0%、含Cr1.5%的高碳鉻軸承鋼GCr15為研究對象,萊鋼利用現有的長流程生產線(高爐+鐵水預處理+轉爐初煉+爐外精煉+真空脫氣+鋇處理+連鑄+連軋),通過控制有害殘余元素、非金屬夾雜物、氣體含量和碳化物組織試制開發了高純凈度GCrl5軸承鋼。結果表明,鋼中O含量低于0.0008%,Ti含量在0.0025%以下,S含量平均0.004%;軋材中心疏松、一般疏松和偏析均≤0.5級;各類非金屬夾雜物≤0.5級;碳化物帶狀及網狀≤1.0級,液析≤0.5級。

        關鍵詞:GCrl5軸承鋼;高純凈度;氧含量;非金屬夾雜物;碳化物不均勻性

        1 前言

        未來軸承鋼主要是向高純凈度方向發展,提高軸承鋼的純凈度,特別是降低鋼中的O、Ti含量,促使鋼中的非金屬夾雜物和碳化物細小均勻分布,可以顯著提高軸承鋼的使用性能和疲勞壽命。在保證成分、組織均勻的前提下,要求[P]≤O.015%,[S]≤O.005%,[0]≤0.0008%,[N]≤O.006%,[H]≤0.00015%,[Ti]≤0.0025%;夾雜物全部<1.0級,碳化物液析在0.5級以下,帶狀1.0級以下[1]。為滿足上述要求,已有的工藝已不完全適用,純凈鋼生產技術和碳化物控制技術的應用已經勢在必行,包括P、S、Ti雜質元素的控制,O、N、H氣體含量的控制,夾雜物數量、形態與分布的控制,碳化物帶狀、液析的控制。

        2 GCr15軸承鋼工藝開發

        2.1煉鋼工藝

        工藝路線:高爐鐵水—鐵水預處理(脫S、脫Ti)—頂底復吹轉爐—鋼包精煉爐—真空爐—連鑄(全程保護澆注、電磁攪拌)。

        1)優化配料結構,選用優質礦石,嚴格控制鐵水成分和鐵水溫度。

        2)采用鐵水預處理技術,控制有害殘余元素S和Ti含量。鐵水預脫硫采用向鐵水包中噴吹鎂粒的方法,鎂在鐵水溫度下與硫有極強的親和力,形成MgS化合物進入爐渣中,采用多次拔渣方式去除;脫鈦是通過向鐵水包中加入氧化鐵、燒結礦或鐵精粉,利用其氧化性將鐵水中的鈦氧化去除。

        3)轉爐采用頂底復合吹煉,雙渣法冶煉、擋渣出鋼等工藝。可以有效降低鋼中Ti和P含量,提高鋼水純凈度,可以改善轉爐冶金條件,減少吹損,提高金屬收得率,提高生產效率。轉爐通過強化操作,控制終點成分以及出鋼溫度。

        4)轉爐出鋼合金依次加入低氮增碳劑、碳化硅、合金、軸承鋼專用精煉渣、石灰。出鋼過程采用大攪拌吹氬強度,保證化渣,均勻成分。出鋼不加鋁脫氧,防止前期產生過多的氧化物夾雜。采用高純度合金:金屬錳、低鈦硅鐵、低鈦鉻鐵、低氮增碳劑、碳化硅,減少合金帶入有害雜質。精煉渣選用經多次試驗的軸承鋼專用精煉渣(CaO-A12O3-SiO2三元渣系),有利于脫硫、吸附去除夾雜物。

        5)精煉主要任務是脫氧、脫硫、去除夾雜物、調整成分和溫度并使其均勻化。為減輕精煉調整成分任務,轉爐出鋼合金合理加入,鋼液化學成分及溫度應符合表1要求。精煉前期加入鋁線調整鋼水鋁含量(0.040%~0.060%),精煉過程不調鋁,在精煉過程中加入SiC+A1粒強化渣面脫氧,保證白渣時間>25min。

        6)精煉渣設計成分,CaO-A12O3-SiO2三元渣系渣洗鋼水脫硫效果較好;渣中氧化鐵含量<1%,活性低,可以防止鋼水吸氧,降低氧含量;精煉渣與鋼液界面張力較小,有利于氧化鋁夾雜的吸收,降低夾雜物含量,提高鋼質純凈度;有很好的發泡作用,在精煉過程中可以遮敝電弧,減少鋼水吸氣。

        7)精煉結束加入適量硅鋇合金進行變性處理,將小顆粒不易上浮的氧化物變性成大顆粒易于上浮去除的夾雜物。

        8)真空精煉,控制真空度≤67Pa,保持時間>20min。在真空處理結束時鋼液化學成分應符合表2要求。真空處理結束補加碳化稻殼,保證覆蓋良好,軟吹時間>20min,促使夾雜物充分上浮去除。

        9)精煉過程合理控制鋼水溫度,保證連鑄過熱度控制在15~25℃。連鑄采用全程保護澆注,鋼包到中間包采用長水口,中間包到結晶器采用浸入式水口,中間包加覆蓋劑防止鋼水二次氧化,結晶器添加保護渣,吸附夾雜物,防止鋼水氧化[2]。采用結晶器電磁攪拌(M-EMS)+末端電磁攪拌(F-EMS),保證鋼質純凈度,提高組織均勻性。制定合理的連鑄工藝,連鑄工藝參數見表3。

        2.2軋鋼工藝

        軋制工藝路線:蓄熱式步進加熱爐—高壓除鱗機—連軋機組—飛剪—定尺機—冷床—緩冷坑。

        轉爐GCrl5連鑄坯100%熱送軋制,采用步進梁式加熱爐,分段控制加熱溫度(見表4),以保證連鑄坯加熱均勻。為了解決碳化物不均勻性問題,提高鋼質純凈度,采用高溫加熱擴散工藝。出鋼間隔(140±5)s,總加熱時間≥190min。

        出爐鋼坯經高壓水除鱗,清除表面氧化鐵皮,提高軋材表面質量。軋制采用14道次連軋機組,微張力、無扭轉軋制。產品軋材經步進式冷床翻轉緩慢冷卻,起到一定的矯直作用,保證了鋼材的平直度。下冷床后及時入坑緩冷,保證入坑溫度≥400℃,控制出坑溫度≤150℃,以便消除鋼材應力;析出氫,防止產生白點缺陷。

        3 試驗結果分析

        3.1化學成分分析

        GCrl5軸承鋼的純凈度主要體現在有害殘余元素、非金屬夾雜物、氣體含量和組織、均勻性,它們的綜合作用決定了材料的最終使用性能[3]。轉爐流程試驗高純凈度GCrt5軸承鋼,共計生產5爐,軋制成Φ60mm的圓鋼5個批號。每爐鋼各元素含量均達到設計要求,且波動范圍很小,見表5。

        由表5可以看出,鋼中O含量全低于0.0008%,平均O含量O.000674%;Ti含量在0.0025%以下,最低Ti含量達到0.0013%,平均Ti含量0.0017%;S含量平均0.004%,達到了超低硫鋼的標準。僅從雜質元素含量來說萊鋼生產的GCrl5軸承鋼純凈度達到了較好的水平。

        3.2低倍組織

        試驗鋼軋材中心疏松、一般疏松和偏析均小于標準要求,組織均勻、致密。低倍組織評級見表6。

        3.3非金屬夾雜物

        每批軸承鋼從不同的6支鋼材上切取20mm×10mm通過鋼材軸心的縱截面,經過拋光,在電子顯微鏡下尋找夾雜物最惡劣的視場,以此視場參照GB/T10561—2005標準進行評級。試驗GCrl5軸承鋼非金屬夾雜物檢驗結果見表7。

        經過鋇合金變性處理去除夾雜物,試驗的5爐GCrl5鋼氧化物夾雜級別較低;氮化鈦夾雜含量極低,對GCrl5軸承鋼疲勞壽命影響較小[4]。鋼中夾雜經變性,鏈狀氧化物的長度明顯縮短,最終材上僅有少量的短鏈狀和不規則夾雜。

        3.4碳化物不均勻性

        碳化物網狀在淬火后的橫向試樣上評定,試樣拋光后用4%的硝酸酒精腐蝕放大500倍評級;碳化物帶狀在淬火后的縱向試樣上評定,試樣拋光后深腐蝕,放大100倍或500倍評定碳化物聚集程度、大小和形狀;碳化物液析在淬火后的縱向試樣上評定,試樣用4%硝酸酒精溶液侵蝕后放大100倍評級。試驗GCrl5軸承鋼軋材重點對帶狀、液析進行了檢驗,結果見表8。碳化物帶狀平均1.0級,液析0.5級,均達到了設計要求,提高了鋼質純凈度。試樣經淬火、回火、研磨拋光、4%硝酸酒精腐蝕后,利用Zeiss顯微鏡觀察碳化物組織,液析0.5級,帶狀1.0級,網狀0.5級,滿足工藝要求,達到設計要求。可見連鑄低過熱度(15~25℃)澆注可以減少碳化物偏析,再通過高溫加熱擴散,將連鑄坯加熱至1200~1230℃,保證足夠的加熱時間,使碳化物偏析充分溶解擴散,達到了降低液析級別的目的[5]。

        如果加熱溫度過高,高溫擴散時間過長,低熔點組元或夾雜物、共晶碳化物熔化成液態,在外力的作用下形成晶間裂紋或沿晶界撕裂,在軋制過程中不能焊合,就會形成顯微孔隙。顯微孔隙破壞了鋼基體的連續性,對疲勞壽命有嚴重的危害。為此,調整GCrl5軸承鋼加熱工藝,保證既能夠使碳化物充分擴散,降低液析級別,不至于導致顯微孔隙缺陷的產生。

        4 結論

        經過5爐高純凈度GCrl5軸承鋼的試驗,在原有工藝的基礎上開發了新的GCrl5鋼生產工藝,并批量生產25爐,經檢驗分析,其化學成分控制合理穩定,鋼材的組織均勻致密,非金屬夾雜含量低,碳化物帶狀≤1.0級,網狀≤0.5級,液析≤0.5級,主要性能指標均符合要求。

        1)萊鋼長流程生產線采用鐵水預處理—轉爐初煉—爐外精煉(LF+VD)—鋇處理—連鑄—連軋的生產工藝,能夠滿足高純凈度軸承鋼生產要求;2)采用CaO-A12O3-SiO2三元精煉渣系具有良好的吸附夾雜物的性能,鋼中非金屬夾雜物含量相對較少;3)從鐵水預脫鈦到合金控鈦,對鋼中鈦含量嚴格控制,可以將成品鈦控制在20×10-6以下,減少鋼中TiN夾雜的產生,減輕鈦殘余對疲勞壽命的影響;4)采用出鋼不加鋁,精煉前期一次喂鋁線調鋁到位,后不再調鋁的脫氧工藝,配合A1粒+SiC渣面脫氧,可以有效地降低鋼中氧含量;5)采用鋇處理變性,可使鋼液中小顆粒不易上浮的A12O3夾雜物聚集長大成為易于上浮去除的大顆粒夾雜;6)通過連鑄低過熱度澆注和軋鋼高溫擴散,可降低碳化物帶狀、液析級別,提高鋼質純凈度。

        參考文獻:

        [1] 楊虎林,何平,翟玉春.高品質軸承鋼超低氧含量和非金屬夾雜物控制的進展[J].特殊鋼,2013,34(2):16-17.

        [2] F Hengere, J Beswick, A Kerrigan.Evaluation of the Continuous Casting Method for Beating Steel Production—SKF Experience[J].Creative Use of Bearing Steels,ASTM STP 1195,11C.Hoo,Ed.,Philadelphia,1993:239-251.

        [3] Lund. T, Akesson J. Oxygen Content,Oxidic Microinclusion,and Fatigue Properties of Roiling Beating Steels[J]. Effect of Steel,Manufacturing Processes on the Quality of Beating Steels,ASTM STP 987,J.J.C.Hoo,Ed,Philadelphia,1988:308-330.

        [4] 王杰君,葉健熠.軸承鋼材質和接觸疲勞壽命的研究[C]//中國金屬學會軸承鋼學委會. 軸承鋼第六屆學術報告會論文集,1993:92-96.

        [5] Akesson J, Lund T. SKF Rolling Bearing Steels- Properties and Processes[J]. Ball Beating Joumal,1983,217(10):32-44.

      來源:《山東冶金》2017年2月

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